基于新型存储器件的固态存储体系结构及关键技术

With the rapid development of data intensive application technologies such as internet of things, cloud storage, large-scale scientific computing, the traditional DRAM and disk storage system is facing serious challenges in the performance and reliability , and solid state storage system based on new memory devices with the advantages of high speed, low power consumption, high reliability, is expected to play an important role in alleviating bottlenecks in storage. This project focuses on the solid state storage system architecture and key technologies based on new memory devices. The main research contents include: (1) the multi-levle and concurrent solid state storage system architecture based on a variety of new memory devices. (2) the computing and storage coupling structure model based on the new memory devices. (3) the low power consumption, large capacity of the new hybrid main memory technologies. (4) high speed solid state storage system software-hardware collaborative optimization and array technologies. It is expected to make a breakthrough in key technologies of new memory devices used in the storage systems to meet the needs of future data intensive application of storage system in performance, reliability, power consumption, etc.

随着物联网、云存储、大规模科学计算等数据密集型应用技术的迅速发展，以传统DRAM和磁盘为主的存储系统在性能和可靠性等方面面临严峻挑战，而新型存储器件具有高速度、低功耗、高可靠等优势，基于新型存储器件的固态存储系统有望在缓解存储瓶颈方面起重要作用。本申请针对基于新型存储器件的固态存储体系结构及关键技术展开研究。主要研究内容包括：（1）基于多种新型器件的多级并发固态存储体系结构。（2）基于新型存储器件的计算与存储耦合结构模型。（3）低功耗、大容量的新型混合主存技术。（4）高速固态存储系统软硬件协同优化与阵列技术。通过本项目的研究，有望突破新型存储器件在存储系统应用中的关键技术，满足未来数据密集型应用对存储系统在性能、可靠性、功耗等方面的需求。

随着物联网、云存储、大规模科学计算等数据密集型应用的飞速发展，以传统DRAM与磁盘为主的存储系统在性能以及可靠性等方面面临严峻挑战，而新型存储器件具有高速、低功耗、高可靠等优势，基于新型存储器件的固态存储系统有望在缓解存储瓶颈方面起重要作用。本项目主要研究基于新型存储器件的固态存储体系结构以及其相关关键技术，历时四年，取得了丰硕的成果与成绩，其中论文发表共计10篇，学术专著1项，专利9项。.在新型存储器件特性的探索方面，我们不仅探索了阻变器件的基本物理机理，取得探索性结论，还积极研究了基于阻变器件的运算与存储功能融合的电路特性以及阻变存储器自身特性对体系结构设计所造成的影响，如利用crossbar阵列访问延迟的差异来加快基于阻变存储器RRAM主存的访存速度，有效降低了访问延迟。此外，我们也积极探索了其它新型固态存储器件，如磁随机存储器等等，并取得了相应的研究成果。.在基于新型固态存储器以及非易失主存的体系结构，系统设计等方面我们做了更多的工作。先后提出了TBuffer，一种用于DRAM与闪存所构成Ultra-DIMM的高性能解决方案，能够增加DRAM中数据的命中率并提高闪存寿命；高性能PCIe SSD Gemini，在软硬件角度均做了一定程度的优化，能够更好的充分发挥闪存的性能优势；NF-Dedupe，一种用于基于闪存SSD的无指纹重删方案；WAlloc，一种针对非易失主存所设计的高效磨损感知手动内存分配器，其磨损平均性优于NVMalloc约30％-60％；SPMS，一种基于链的持久性内存系统，SPMS的性能优于目前先进的持久性内存系统6.6％，并且性能略好于没有任何一致性保证基准行。此外，我们还对独立SSD冗余阵列和文件系统以及纠删码对闪存寿命影响等进行了理论上的分析与研究。.本项目研究了新型的固态存储器件在计算机体系结构以及系统中的应用以及其意义。通过本项目的研究，我们掌握了基于新型存储器件的存储系统构建技术，为新型存储器件在大规模存储系统中的应用提供系统的方法指导和实践经验。